特殊钢特种冶金技术的新发展_姜周华

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１ 真空感应熔炼
１． １ 真空感应炉国内外的发展现状 真空感应炉大约始于 １ 用于熔炼镍铬合 ９ ２ ０年，
， ： ； 作者简介 ： 姜周华 （ 男， 博士 ， 教授 ； ｉ ａ ｎ ｚ ｈ＠ｓ １ ９ ６ ３—） ａ ｉ ｌ ｍｍ． ｎ ｅ ｕ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ ２ ０ １ １ ０ ８ ２ ４ Ｅ－ｍ 收稿日期 ： － － ｊ ｇ
由于真空技术的进步使 金 。 直到第 ２ 次世 界 大 战 ， 真空感应 炉 熔 炼 才 开 始 真 正 发 展 起 来 。１ ９ ２ ６年德 ， 、 容 量 ４ｔ 功率３ 熔化 Ｃ 国用真 空 感 应 炉 （ ５ ０ｋＷ ） ｏ Ｎ ｉ合金 。 二战 期 间 欧 美 等 国 家 已 达 到 了 实 用 化 程 度并取得了飞速 发 展 ， 日 本 也 相 继 采 用。 这 种 方 法 多用于熔炼耐热钢 、 轴承钢 、 纯铁 、 铁镍合金 、 不锈钢 等多种金属材料 。 这 一 方 法 使 材 料 的 断 裂 强 度 、 高 温韧性 、 耐氧化 性 等 都 得 到 了 改 善 。 由 于 大 型 真 空 抽气设备 （ 如增压泵 ） 的 出 现， 真空感应炉也逐步向 大型化发展 。 以美国为例 ， １ ９ ６ ９年真空感应炉的容 量已达到 ２ ７． ６ ０ｔ的规 模 。 满 足 了 各 种 金 属 材 料 工 业化 生 产 的 要 求 。 西 欧 各 国 也 在 ２ ０世纪６ ０ 年 代， 将炉子向大型化发 展 并 不 断 改 进 ， 可在冶炼过程中 不破坏真空 ， 在装料 、 铸模准备及浇铸操作等过程实 现连续的或半连 续 的 真 空 感 应 熔 炼 。 美 国 Ｃ ｏ ｎ ｓ ａ ｒ ｃ 公司和德国 Ａ Ｌ Ｄ 是目 前 国 际 上 最 主 要 的 大 型 真 空 感应熔炼炉制造企 业 ， 生产的大型真空感应熔炼炉 ， 可以达到 ３ 甚至更大 。 ０ｔ 中国自行生产的真空感应熔炼炉的容量一般比
性强 。 对 设 备 运 行 和 工 艺 过 程 实 施 高 度 控 制 。 例 如 ，真 空 机 组 的 开 关 、 监 测 ，真 空 阀 门 的 开 闭 、 联 锁、 切 换， 故 障 的 识 别、 报 警， 预防误操作等都由 Ｐ Ｌ Ｃ 控制 。 １． ２． ４ 计算机辅助系统的应用 根据 实 践 所 积 累 的 丰 富 经 验 数 据 ， 编制成计算 计算机通过 对 实 测 的 温 度 与 软 件 给 定 的 工 机软件 ， 艺曲线进行比较 ， 调整电源功率输出 ， 从而控制钢液 防止精炼期熔液的温度过热和过低 ， 实现经 的温度 ， 济运行 。 熔池的实际温度是通过扫描式光学高温计 连续测定的 。 在测量过程中 ， 熔池表面的渣子 、 添加 合金元素 、 光学玻璃 的 污 染 等 原 因 都 会 影 响 被 测 数 计算机将自动进行修正 。 据的准确性 ， 精炼后期， 取样分析后一般要调整合金成分 。 在 按合金成分的要求， 补加合金元素 中间分析的基础上， 的数量由计算机计算决定， 并由打印机记录存档。 较大 的 真 空 感 应 炉 都 带 有 流 槽 装 置 ， 使得锭子 的补缩颇为困 难 。 小 型 锭 子 （ 棒 型 电 极 ）更 容 易 产 生缩孔和短锭 。 为 获 得 更 高 的 收 得 率 ， 就必须将缩 孔减至最低限 度 。 国 外 研 制 出 一 种 视 频 监 控 系 统 ， 由一套摄像观察装置和视频软件组成 ，可以从显示 器上观察浇注情况和从显示器上用光标控制补缩 。 由于 对 材 料 质 量 要 求 越 来 越 高 ， 所以感应炉生 产工艺过程要求有高度的稳定性和可重复性 。 国外 发明了用于 Ｖ Ｉ Ｍ 的气体分压力分析的质谱控制仪 ， 使Ｖ 从 而 实 现 经 济 运 行。 Ｉ Ｍ 工艺 实 现 最 佳 化 选 择 ， 通过对炉内残余气体含量的连续测定分析 ， 以测定添 加活性元素的最有利时间和加入的顺序 ； 测定工艺过 程的进展阶段 ， 如精炼期的终结 、 出钢时间等 ； 及时发 现炉子的漏气 ， 冷却水和液压管线的泄漏等等 。 １． ２． ５ 中间包冶金技术的应用 为了更好地去除钢中夹杂物 ， 提高钢水洁净度 ， 添加可实 现 加 热 、 保 温 功 能 滤 渣 去 杂 中 间 包 系 统。 中间包设有挡墙和挡坝 ， 有利于各类杂质的上浮 ， 钢 水经挡渣 、 过滤后注入锭模 ， 减少了渣子和夹杂物进 入钢锭对提高钢材质量有极大的作用 。 １． ２． ６ 真空感应炉和其他设备的组合功能 根据 生 产 和 经 济 要 求 ， 真空感应熔炼可以进行 不同程度的扩展 ， 在与其他浇注系统组合方面 ， 有很 从而扩展了真空感应炉的功能 ， 实现了 强的适应性 ， 一机多用 ， 提高 了 综 合 经 济 效 益 。 可 分 为 以 下 几 种 典型类型 ： １） Ｖ Ｉ Ｍ－Ｖ Ｃ Ｃ（Ｖ ａ ｃ ｕ ｕ ｍ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｍ ｅ ｌ ｔ ｉ ｎ ｇ ） 真空感应熔炼带 ｗ ｉ ｔ ｈ Ｖ ｅ ｒ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｉ ｎ ｕ ｏ ｕ ｓ Ｃ ａ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ
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特殊钢在经济建设及国防工业中占有极其重要 特别是航天 、 航空 、 海洋开发 、 能源 、 电子和军 的地位 ， 都要求有优质的特殊钢材料 工国防等尖端技术领域 ， 做支撑 。 特殊钢因其具有优良及多样化的性能 ， 广泛 用于汽车制造 、 交通运输 、 机电制造 、 石油化工 、 轻工 纺织 、 食品 、 医药 、 信息和能源以及国防军工等许多领 域， 具有不可替代的地位 ， 是一个国家 、 一个地区科学 凡 技术发展水平和经济实力的重要标志 。 在世界上 ， 工业化水平高和经济实力强的国家 ， 其钢铁工业 ， 尤 其是特殊钢工业均比较发达 。 特殊钢熔炼的装备和 技术水平是高端特殊钢生产的重要基础 。 本文对近 些年来国内外用于高品质特殊钢生产的真空感应熔 炼、 电渣重熔 、 真空自耗重熔及电子束重熔技术的发 展进行简要的介绍 ， 希望能对中国相关特种熔炼技术 的发展和应用起到参考作用 。
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中国ห้องสมุดไป่ตู้金
第２ １卷
。２ｔ以 上 的 大 型 感 应 炉 较小 ， 主 要 为 ５～１ ５ ０ ０ｋ ｇ 主要从德国 、 美 国、 日 本 进 口 。２ ０世纪８ ０ 年 代 初， ／ 抚钢在国内率先 从 德 国 引 进 ３ｔ ６ｔ 大 型 真 空 感 应 炉。从９ 东北特钢和攀长 ０ 年代以后国内宝钢特钢 、 最大 钢等企业先后从国 外 引 进 了 大 型 真 空 感 应 炉 ， 。 目前正在引进的最大容量为 ２ 。 容量为 １ ２ｔ ４ｔ １． ２ 新技术在真空感应炉的应用 １． ２． １ 电磁搅拌和惰性气体搅拌 感应炉冶炼本身已存在较强烈的搅拌作用 ，加 上电磁搅拌后 ，气体 上 升 到 熔 液 界 面 大 量 析 出 ，对 于材料的去气有很好的效果 。 必须注意的是 ，要选 择合适的搅拌功率 ，避免对炉衬的过度冲击 。 在气 体 搅 拌 时， 惰性气体通过注入坩埚底部的 锥型多孔 塞 进 入 熔 池 。 当 惰 性 气 体 穿 过 熔 融 金 属 气泡体积和表 面 积 增 大 ， 靠 近 金 属 液 面 时， 体积 时， 明显膨胀 ， 使气体 和 金 属 间 有 更 高 的 比 表 面 进 行 交 缩短了熔液表面的更换周期 ， 并改善整个熔 换反应 ， 池的均匀性 。 同时 ， 还使细小的氧化物聚集 ， 夹杂物 漂浮到熔融金属表面 ， 达到净化材料的效果 。 从脱 气 角 度 看， 感应炉设计也要考虑感应圈的 直径与高度之比 ，使熔液上表面增大 ， 有利于脱气 ， 并使耐火材料与熔融金属的接触面显著减少 ，降低 对炉衬 的 侵 蚀 。 有 资 料 认 为 ，坩 埚 直 径 与 高 之 比 ／ ／ 尽管理论上的最佳值为 Ｄ Ｄ Ｈ＝１ 时比较适 合 （ Ｈ ［ ］ １ ） 。 ＝２ １． ２． ２ 冶炼电源 早期的感 应 炉 电 源 都 是 电 动 机 －发 电 机 变 频 机 组。到 了 １ ９ ６ ７ 年 ，西 德 Ｌ ｅ ｂ ｏ ｌ ｄ 公司为美国 ｙ 使用了可 Ｈ ｏ ｗｍ ｅ ｔ 公 司 生 产 的 ５． ４ ４ ７ｔ 的 炉 子 中 ， 。 此后 控硅变频电源 ，功率 １ 频率 １ ０ ０ ０ｋＷ， ８ ０Ｈ ｚ 变频发电机组和静止变频器共存 ， 交替过 的 ３ａ间 ， 渡。到１ ９ ７ ０ 年后 ，所 有 真 空 感 应 炉 都 配 置 可 控 硅 静止变频电源 。 经 过 ３ ０ 多 年 的 发 展 ，可 控 硅 静 止 变频电源技术 已 经 非 常 成 熟 。 在 整 个 冶 炼 周 期 中 ， 功率从 １ ％ ～１ 使操作极其灵活 、 ０ ０ ％ 的平滑调节 ， 准确 、 无波动 ； 变频电源的频率在一定的范围内是变 化的 ， 能自动跟踪适应炉料的变化 ， 无需大电流接触 器来开关电容器 ， 调 节 炉 子 的 功 率 因 数； 效 率 高， 三 相对称电网负荷 ， 工 作 状 态 非 常 优 越。变 频 电 源 的 功率已达 １ ０ ＭＷ 。 １． ２． ３ Ｐ Ｌ Ｃ 控制 可编程序控制技术 ，使得真空熔炼设备的自动 化和半自动化运行成为可能 。 设备严格按用户设置 的程序运行 ，工艺技 术 条 件 得 以 严 格 控 制 ，可 重 复
第２ １ 卷第 １ ２期 ２ ０ １ １年１ ２月
中国冶金 Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｌ ｕ ｒ ｇ ｙ
ｏ ｌ ． ２ １，Ｎ ｏ ． １ ２ Ｖ Ｄ ｅ ｃ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ ２ ０ １ １
编者按 ： 发展关键钢材品种 ， 促进特殊钢品质全面升级是中国 《 钢铁工业 “ 十二五 ” 发展规划 》 关于加快产品升 级重点中明确列出的两项任务 。 本期专题研究集中组织发表了 ７ 篇有关特殊钢 发 展 和 技 术 研 究 的 论 文 ， 供 大家参考 。 希望大家都来关注特殊钢产品升级的研究 ， 在本刊上开展交流与讨论 。
特殊钢特种冶金技术的新发展
姜周华 ， 董艳伍 ， 李花兵 ， 臧喜民
（ ） 东北大学材料与冶金学院 ，辽宁 沈阳 １ １ ０ ０ ０ ４ 摘 要 ：特殊钢是钢铁材料中的高技术含量产品 ， 其生产和应用代表了一个国家的工业化发展水平 。 重点对生产高 品质特殊钢的真空感应熔炼技术 、 电渣冶金技术 、 真空自耗重熔技术和电子束重熔技术的最新进展进行了介绍。特 殊钢冶炼新技术的不断出现和发展必将使特殊钢的质量得到不断提高 ， 从而在国民经济建设中发挥重要的作用 。 关键词 ：特种冶金 ；真空感应熔炼 ；电渣重熔 ；真空自耗重熔 ；电子束 （ ） 中图分类号 ： Ｔ Ｆ ７ ６ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ６ ９ ３ ５ ６ ２ ０ １ １ １ ２ ０ ０ ０ １ １ ０ － － －